(57)【要約】【課題】実際の回転数値に対して時間遅延を有さない回転数測定信号を簡単かつ正確に求められるようにする。【解決手段】ロータの慣性モーメント値を求め、個々のサンプリング時点ごとに１つずつ電流信号を検出し、個々の回転数測定値に対して１つ前のサンプリング時点に対応する回転数測定値、電流信号および慣性モーメント値から回転数測定値の推定値を求め、推定値に対して所定の許容範囲を割り当て、この許容範囲と回転数測定値とを比較して測定値が範囲を外れる場合には、回転数測定値を当該の許容範囲内の回転数値によって置換する。【選択図】図１
2006017725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連のサンプリング時点ごとに１つずつロータの回転数測定値ω（ｋ）を求めて回転数測定信号ωを検出する、
ステータ、ロータおよびコイルを有する電動機、特にＥＣモータの回転数を測定する方法において、
ロータの質量慣性モーメントを表す慣性モーメント値を求め、
個々のサンプリング時点ごとに１つずつコイル内の電流を表す電流値Ｉ（ｋ）を求めて電流信号Ｉを検出し、
個々の回転数測定値ω（ｋ）に対して１つ前のサンプリング時点に対応する回転数測定値ωｋ（ｋ−１）、電流信号Ｉおよび慣性モーメント値から回転数測定値ω（ｋ）の推定値ωＳ（ｋ）を求め、
該推定値ωＳ（ｋ）に対して推定値を含むべき所定の許容範囲を割り当て、
回転数測定値ω（ｋ）が所定の許容範囲を外れる場合には、回転数測定値ω（ｋ）を当該の許容範囲内の回転数値ωｋ（ｋ）によって置換する
ことを特徴とする電動機の回転数を測定する方法。
【請求項２】
ロータに負荷モーメントを負荷し、該負荷モーメントに対して負荷モーメント信号ＭＬを調製し、推定値ωＳ（ｋ）を１つ前のサンプリング時点に対応する回転数測定値ωｋ（ｋ−１）、電流信号Ｉ、負荷モーメント信号ＭＬおよび慣性モーメント値から求める、請求項１記載の方法。
【請求項３】
コイルに印加される電圧を検出し、電流値Ｉ（ｋ）を当該の電圧、コイルのインピーダンス、回転数測定値ω（ｋ）、場合により補正回転数測定値ωｋ（ｋ）、および機械定数から間接的に求める、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記許容範囲を限界値により制限し、該許容範囲を外れる回転数測定値ω（ｋ）を近似の許容範囲限界値へ補正する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記許容範囲の幅および／または位置を１つ前のサンプリング時点に対応する回転数測定値ωｋ（ｋ−１）に依存して、有利には回転数が増大するにつれて低下するように、および／または回転数が低下するにつれて増大するように選定する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記許容範囲の幅および／または位置を電流信号Ｉに依存して、有利には電流が増大するにつれて増大するように、および／または電流が低下するにつれて低下するように選定する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
電流信号Ｉをフィルタリング、例えば移動平均値の形成により平滑化し、回転数測定値ω（ｋ）の推定値ωＳ（ｋ）をフィルタリングされた電流信号Ｉにより求める、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一連のサンプリング時点ごとに１つずつロータの回転数測定値ω（ｋ）を求めることにより回転数測定信号ωを検出する、ステータ、ロータおよびコイルを有する電動機、特にＥＣモータの回転数を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石のロータの周囲に配置された磁石セグメントがステータに配置された電子整流コイルと協働するＥＣモータについて、回転数を測定する方法が公知である。ここで磁石セグメントの位置がステータに配置されたホールセンサによって検出される。磁界に応じてホールセンサの出力信号は０または１を取る。ホールセンサの測定信号の連続した２回の交番のあいだの時間間隔と、ロータの極対の数から計算される、ロータの周方向で隣接するセグメント間のオフセット角度とから、回転数測定値が計算される。磁石セグメントはロータでの位置および周方向の大きさに関して製造差を有しており、これは個別のモータで詳細に既知となってはいないが、真のオフセット角度と回転数測定値から計算されたオフセット角度との差から求めることができる。通常２０％程度の製造差が見られる。したがって一定のロータ回転数で回転数測定信号は真の回転数測定値の−２０％〜＋２０％までの範囲内の任意の値を取りうる。
【０００３】
これとは別の回転数誤差としてロータの方向反転時に発生するものが挙げられる。一方への回転でまず磁石の第１のセクションがホールセンサを通過し、次に第２のセクションがホールセンサを通過し、磁界の反転により、ホールセンサの出力信号が変化する。ロータがいったん停止して反対方向へ運動し始めると、再び磁石の第１のセクションがホールセンサを通過する。これにより出力信号が新たに交番する。２つの信号の交番の時間間隔はきわめて短いので、誤って高い回転数が求められることがある。
【０００４】
回転数信号は例えば最新の回転数測定値、その１つ前の回転数測定値およびさらにその１つ前の回転数測定値から平均値を形成することにより平滑化することができる。ただし、平均の回転数測定値はその時点での回転数ではなく、ホールセンサ信号の最後の交番の時点での回転数を反映していることになる。計算された回転数信号と真の回転数信号とのあいだの時間遅延は、回転数信号を実際値として回転数制御回路へ供給する場合に大きな問題となる。特に回転数が小さいと遅延時間が相対的に大きくなり、回転数制御の品質が相応に低下してしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって本発明の課題は、冒頭に言及した形式の電動機の回転数を測定する方法において、実際の回転数値に対して時間遅延を有さない回転数測定信号を簡単かつ正確に求められるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、ロータの質量慣性モーメントを表す慣性モーメント値を求め、個々のサンプリング時点ごとに１つずつコイル内の電流を表す電流値Ｉ（ｋ）を求めて電流信号Ｉを検出し、個々の回転数測定値ω（ｋ）に対して１つ前のサンプリング時点に対応する回転数測定値ωｋ（ｋ−１）、電流信号Ｉおよび慣性モーメント値から回転数測定値ω（ｋ）の推定値ωＳ（ｋ）を求め、推定値ωＳ（ｋ）に対してこれを含むべき所定の許容範囲を割り当て、この許容範囲と回転数測定値ω（ｋ）とを比較して測定値が範囲を外れる場合には、回転数測定値ω（ｋ）を当該の許容範囲内の回転数値ωｋ（ｋ）によって置換することにより解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
有利には、回転数測定値ω（ｋ）が許容範囲を外れる場合、つまりこの値が妥当でない場合にダイナミックに求められた限界値によって定められる許容範囲への制限が行われる。これにより回転数測定信号の変動を簡単に平滑化でき、平滑化された回転数信号と測定回転数信号とのあいだに注目すべきほどの時間遅延は生じない。電動機のダイナミクスの式は
Ｊ・ｄω／ｄｔ＝Ｋｔ・Ｉ
に基づいて定まる。ここでＪはロータの質量慣性モーメント、ωはロータ回転数、Ｋｔは電動機定数、Ｉはコイル電流、ｔは時間である。回転数推定値ωｓ（ｋ）はサンプリング時間をＴとして
ωＳ（ｋ）＝ω（ｋ−１）＋［Ｔ・Ｋｔ・Ｉ（ｋ−１）］／Ｊ
により求められる。
【０００８】
許容範囲の幅を±ΔωＧｒｅｎｚとすると、ｋ番目の回転数測定値ω（ｋ）に対する許容範囲の上方限界値ωＨｉｇｈＬｉｍ（ｋ）および下方限界値ωＬｏｗＬｉｍ（ｋ）は推定値ωＳ（ｋ）から
ωＨｉｇｈＬｉｍ（ｋ）＝ωＳ＋ΔωＧｒｅｎｚ＝ωｋ（ｋ−１）＋［Ｔ・Ｋｔ・Ｉ（ｋ−１）］／Ｊ＋ΔωＧｒｅｎｚ
ωＬｏｗＬｉｍ（ｋ）＝ωＳ−ΔωＧｒｅｎｚ＝ωｋ（ｋ−ｎ）＋［Ｔ・Ｋｔ・Ｉ（ｋ−１）］／Ｊ−ΔωＧｒｅｎｚ
のように求められる。ここで、許容範囲の幅±ΔωＧｒｅｎｚは有利には回転数測定値ω（ｋ）の変動幅よりも格段に小さいので、回転数変動を著しく低減することができる。
【０００９】
本発明の１つの有利な実施形態では、ロータに負荷モーメントを負荷し、この負荷モーメントに対して負荷モーメント信号ＭＬを調製し、推定値ωＳ（ｋ）を１つ前のサンプリング時点に対応する回転数測定値ωｋ（ｋ−１）、電流信号Ｉ、負荷モーメント信号ＭＬおよび慣性モーメント値から求める。このプロセスは負荷モーメント信号が負荷される任意の電動機に適用可能である。このとき負荷モーメントはロータを駆動したり制動したりする。電動機のダイナミクスの式は
Ｊ・ｄω／ｄｔ＝Ｋｔ・Ｉ−ＭＬ
により得られる。
【００１０】
ここから回転数推定値ωＳ（ｋ）、許容範囲の上方限界値ωＨｉｇｈＬｉｍ（ｋ）および下方限界値ωＬｏｗＬｉｍ（ｋ）が
ωＳ（ｋ）＝ωｋ（ｋ−１）＋［Ｔ・Ｋｔ・Ｉ（ｋ−１）］／Ｊ−［Ｔ・ＭＬ（ｋ−１）］／Ｊ
ωＨｉｇｈＬｉｍ（ｋ）＝ωＳ＋ΔωＧｒｅｎｚ＝ω（ｋ−１）＋Ｔ／Ｊ［Ｋｔ・Ｉ（ｋ−１）−ＭＬ（ｋ−１）］＋ΔωＧｒｅｎｚ
ωＬｏｗＬｉｍ（ｋ）＝ωＳ−ΔωＧｒｅｎｚ＝ω（ｋ−１）＋Ｔ／Ｊ［Ｋｔ・Ｉ（ｋ−１）−ＭＬ（ｋ−１）］−ΔωＧｒｅｎｚ
のように求められる。
【００１１】
本発明の有利な実施形態では、コイルに印加される電圧が検出され、電流値Ｉ（ｋ）が当該の電圧、コイルのインピーダンス、回転数測定値ω（ｋ）（場合により補正された回転数測定値ωｋ（ｋ））および機械定数Ｋｅから間接的に求められる。相応の式は
Ｕ＝ＲＡ・Ｉ＋ＬＡ・ｄＩ／ｄｔ＋Ｋｅ・ω（ｋ）
となる。ここでＲＡはコイルのオーム抵抗、ＬＡはコイルのインダクタンス、Ｋｅは電動機の機械定数である。このプロセスは有利にはコイルに印加される電圧をパルス幅変調することによりコイル電流を調整する電動機で使用される。
【００１２】
有利には、許容範囲の幅および／または位置は、１つ前のサンプリング時点に対応する回転数測定値ωｋ（ｋ−１）に依存して、有利には回転数が増大するにつれて低下し、および／または回転数が低下するにつれて増大するように選定される。これにより例えば回転数依存性の負荷モーメントが負荷される電動機において、推定値または平均値に対して許容範囲の幅を求める際の精度の回転数依存性を考慮することができる。
【００１３】
本発明の別の有利な実施形態では、許容範囲の幅および／または位置は、電流信号Ｉに依存して、有利には電流が増大するにつれて増大し、および／または電流が低下するにつれて低下するように選定される。これはコイル電流が大きいときロータは一般に加速され、回転数も相応に上昇するという知識に基づいている。許容範囲の幅および／または位置はコイルへの給電量に基づいて予測されるロータの回転数変化量へ適合化される。
【００１４】
回転数信号に例えばリップルなどの障害がともなうとき、たいていはコイル電流も相応に変動する。この場合有利には、電流信号Ｉをフィルタリング、特に移動平均値の形成により平滑化し、フィルタリングされた電流信号Ｉにより回転数測定値ω（ｋ）の推定値ωＳ（ｋ）を求めることができる。
【実施例】
【００１５】
以下に本発明の実施例を図に則して詳細に説明する。
【００１６】
電気装置はＥＣモータとこのモータのための回転数制御回路１とを有する。ＥＣモータは自動車の駆動制御部用のモータ、例えばピストン内燃機関のカムシャフト制御部またはパラレルスイッチングギアのギアフィンガ制御部として用いられる。ＥＣモータおよびこれによって駆動される機械負荷は図中の制御区間２を形成している。
【００１７】
ＥＣモータにはコイルの相ごとに１つずつホールセンサを有する回転数センサ３が配置されている。回転数センサは周知の手法でロータのリング状磁性体と協働し、ロータ回転数を表す回転数測定信号を検出する。回転数測定信号はサンプルアンドホールド素子４へ供給され、一定のサンプリングレート１／Ｔでサンプリング時点ｋ・Ｔに対応する一連の回転数測定値ω（ｋ）が形成される。ここでｋは整数のインデクスであり、Ｔはサンプリング時間である。
【００１８】
電気装置はさらに回転数測定値ω（ｋ）に対する制限回路を有している。この制限回路は２つの遅延素子５，６、計算器７および２つの比較器８，９を含む。計算器７の回転数測定信号入力側１０は第１の遅延素子５を介して補正回転数信号ωｋ（ｋ）の端子へ接続されている。第１の遅延素子５により補正回転数信号ωｋ（ｋ）は１サンプリング時間Ｔに相応する時間だけ遅延している。したがって回転数測定信号入力側１０には回転数信号ωｋ（ｋ−１）が印加される。計算器７の電流信号入力側１１は第２の遅延素子６を介してコイル電流信号Ｉ（ｋ）の端子へ接続されている。第２の遅延素子６によりコイル電流信号Ｉ（ｋ）は１サンプリング時間Ｔに相応する時間だけ遅延している。したがって電流信号入力側１１には電流信号Ｉ（ｋ−１）が印加される。計算器７はさらに負荷モーメント信号入力側１２を有しており、この入力側には平均負荷モーメントＭＬの尺度を表す信号が供給される。
【００１９】
計算器７により、回転数信号ωｋ（ｋ−１）、電流信号Ｉ（ｋ−１）、遅延された負荷モーメント信号ＭＬ、サンプリング時間Ｔ、既知のロータの慣性モーメント値Ｊ、ＥＣモータのモータ定数Ｋｔおよび設定されたインターバル±ΔωＧｒｅｎｚから、最新のサンプリング幅ｋに対応する許容範囲［ωＬｏｗＬｉｍ（ｋ），ωＨｉｇｈＬｉｍ（ｋ）］の上方限界値ωＨｉｇｈＬｉｍ（ｋ）および下方限界値ωＬｏｗＬｉｍ（ｋ）が
ωＨｉｇｈＬｉｍ（ｋ）＝ωｋ（ｋ−１）＋Ｔ／Ｊ［Ｋｔ・Ｉ（ｋ−１）−ＭＬ（ｋ−１）］＋ΔωＧｒｅｎｚ
ωＬｏｗＬｉｍ（ｋ）＝ωｋ（ｋ−１）＋Ｔ／Ｊ［Ｋｔ・Ｉ（ｋ−１）−ＭＬ（ｋ−１）］−ΔωＧｒｅｎｚ
のように計算される。
【００２０】
第１の比較器８の第１の入力側には上方限界値ωＨｉｇｈＬｉｍ（ｋ）が供給され、第２の入力側には回転数信号ω（ｋ）が印加される。第１の比較器８の出力側は第２の比較器９の第１の入力側に接続されている。第２の比較器９の第２の入力側は計算器７によって求められた下方限界値ωＬｏｗＬｉｍ（ｋ）を表す信号が印加される。第２の比較器９の出力側には許容範囲内へ補正された回転数信号ωｋ（ｋ）が生じる。
【００２１】
第２の比較器９の出力側は第３の比較器１３の実際値入力側に接続されている。第３の比較器１３の目標値入力側には例えば上位の制御部（開制御装置または閉ループ制御装置）によって設定された回転数目標値信号ωＳｏｌｌが印加される。回転数目標値信号ωＳｏｌｌと補正回転数信号ωｋ（ｋ）との差が制御偏差として第３の比較器１３の出力側へ出力される。この第３の比較器の出力側は回転数制御器１４の入力側に接続されている。回転数制御器１４の出力側には前述の電流信号Ｉ（ｋ）が生じる。この電流信号Ｉ（ｋ）に相応に、図には詳細に示されていない駆動装置を介して、例えばコイルに印加される電圧のパルス幅変調によりＥＣモータのコイルが駆動される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】電動機の回転数制御回路の信号流れ図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  回転数制御回路、  ２  制御区間、  ３  回転数センサ、  ４  サンプルアンドホールド素子、  ５  第１の遅延素子、  ６  第２の遅延素子、  ７  計算器、  ８  第１の比較器、  ９  第２の比較器、  １０  回転数測定信号入力側、  １１  電流信号入力側、  １２  負荷モーメント信号入力側、  １３  第３の比較器、  １４  回転数制御器
【図１】
2006017725.tif 000003